Влияние технологических режимов плавки медного сульфидного сырья в печи Ванюкова на износ огневой поверхности кессонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Вернигора, Антон Сергеевич

• Вернигора, Антон Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вернигора, Антон Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Применение водоохлаждаемых элементов в конструкциях металлургических агрегатов.

1.2. Тепловые нагрузки, возникающие на водоохлаждаемых элементах печи Ванюкова.

1.3. Возможность химической коррозии водоохлаждаемых элементов.

Образование гарнисажа.

Коррозионные процессы на поверхности меди.

1.4. Моделирование физико-химических процессов.

1.5. Выводы и постановки задачи исследований.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ, УСЛОВИЙ РАБОТЫ И ИЗНОСА КЕССОНОВ, А ТАКЖЕ ОСНОВНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПЕЧИ И ИХ СТАБИЛЬНОСТИ.

2.1. Особенности применения кессонов в конструкции печи Ванюкова.

2.1. Общие показатели работы печи Ванюкова и анализ причин нестабильности.

Краткие общие сведения о ПВ на ОАО СУМЗ.

Анализ основных параметров плавки.

2.2. Анализ типов разрушений кессонов.

Основные характерные типы износа огневой поверхности кессонов ПВ.

2.3. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ВОДООХЛАЖДАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧИ ВАНЮКОВА В РЕЗУЛЬТАТЕ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ РАСПЛАВА.

3.1. Исследование теплового воздействия шлакового расплава на стеновые кессоны печи Ванюкова.

Схема передачи тепла от расплава охлаждающей воде.

Методика проведения измерений.

Результаты измерений и их анализ.

3.2. Исследование распределения температур в теле кессона при помощи математического моделирования.

Расчетная область.

Граничные условия.

3.3. Анализ распределения температур в теле кессона в стационарном режиме.

Схема решения математической модели.

Результаты решения.

Анализ полученных результатов.

3.4. Анализ распределения температуры в теле кессона при обрушении гарнисажа.

Теплоотдача при фазовом переходе. Задача Стефана.

Решение задачи Стефана методом выпрямления фронта.

Результаты решения.

3.5. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ХИМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ВОДООХЛАЖДАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

4.1. Исследование химического состава огневой поверхности кессонов и гарнисажа.

Анализ рабочей поверхности кессона.

Анализ химического состава гарнисажа.

4.2. Термодинамический анализ вероятности химического разрушения.

4.3. Лабораторные исследования возможности химической коррозии медных кессонов.

Описание лабораторной установки.

Проведение эксперимента.

Результаты.

Проведение опытов по коррозии в атмосфере S02.

4.4. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние технологических режимов плавки медного сульфидного сырья в печи Ванюкова на износ огневой поверхности кессонов»

В настоящее время, в металлургии меди и никеля при переработке сульфидных концентратов наибольшее распространение получили автогенные процессы плавки, использующие тепло от окисления сульфидов. Применение автогенных процессов позволяет снизить расходы топлива, повысить комплексность использования сырья, в значительной мере сократить количество вредных выбросов.

Среди автогенных процессов наиболее производительными являются процессы барботажного типа, в которых окислительное дутье подается непосредственно в расплав. Подача дутья в расплав приводит к его интенсивному перемешиванию, в результате чего существенно ускоряются все основные физико-химические взаимодействия, в том числе и наиболее медленные стадии, такие как растворение тугоплавких компонентов и разделение фаз.

Однако, в условиях интенсивного перемешивания расплава в значительной мере интенсифицируются процессы химического, теплового и механического воздействия внутрипечной среды на стены плавильной печи. В связи с опасностью аварийного разрушения, для современных автогенных барботажных процессов проблема повышения надежности и сроков службы печи между капитальными ремонтами, является одной из самых актуальных.

Одним из эффективных способов увеличения сроков службы агрегатов для барботажных процессов является применение в ограждающей конструкции печи охлаждаемых элементов -кессонов. Преимущество использования кессонов состоит в том, что во время проведения плавки на их рабочей поверхности образуется защитный слой из затвердевшего расплава - гарнисаж, который предотвращает непосредственный контакт барботирующей ванны расплава с кессоном и препятствует его разрушению.

Наиболее широко кессоны применяют в печах Ванюкова (ПВ). Во многом поэтому, срок службы печей Ванюкова между капитальными ремонтами, при прочих равных условиях, выше, чем печей, футерованных огнеупорным кирпичом. Помимо ПВ, кессоны применяются в печах

Аусмелт и Оутукумпу, и в последние годы количество печей, использующих в своей конструкции водоохлаждаемые элементы, постоянно увеличивается.

Устойчивость технологии и длительность кампании барботажного автогенного агрегата определяется, прежде всего, сроком службы кессонов, огневая поверхность которых в процессе работы печи постепенно изнашивается. При этом, степень износа поверхности кессонов существенно различается в зависимости от условий работы печи, месторасположения кессона в печи и ряда других факторов.

Однако до сих пор не проводилось комплексных, систематизированных исследований причин износа поверхности медных водоохлаждаемых элементов, контактирующих с расплавом при плавке сульфидного сырья, в зависимости от условий, возникающих в печи и технологических режимов работы агрегата. В связи с этим, задача исследования механизма и закономерностей физико-химического воздействия внутрипечной высокотемпературной газо-жидкостной среды на огневую поверхность медных кессонов в печи Ванюкова является весьма актуальной.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Вернигора, Антон Сергеевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проанализированы основные режимы работы печи Ванюкова. Несмотря, на общую стабильность работы печи, иногда происходят существенные повышения теплосъема с печи, которые длятся около 8 часов, и могут привести к ускоренному износу водоохлаждаемых элементов. Составы продуктов плавки также могут колебаться в широких пределах. Их причиной, в основном, служат колебания в составах исходных материалов, а также неточности, допущенные при шихтовке (слишком грубое измерение массы флюсов и концентратов).

2. Проанализированы основные типы износа водоохлаждаемых элементов. Это плавный «размыв» острых углов на поверхности кессона, образование небольших углублений - «раковин», а также искривление плиты.

3. Получены экспериментальные данные по величине тепловых потоков на охлаждаемые элементы ПВ ОАО СУМЗ. По рядам кессонов - несколько большие на втором, чуть меньшие или близкие — на первом, наименьшие на третьем и четвертом. По длине печи тепловые нагрузки сильно неравномерны — снижаются к шлаковой стороне печи. Необходимо искать возможности более равномерного распределения дутья по печи, что позволит снизить интенсивность барботажа в зоне загрузки шихты и таким образом тепловые нагрузки на кессоны в этой зоне печи.

4. Получены данные по температуре внешней поверхности кессонов. Отмечена неравномерность температур, а, следовательно, тепловых нагрузок по телу отдельных элементов. На основании этих данных определены наиболее теплонапряженные зоны - верхняя часть кессонов первого ряда и нижняя часть кессонов второго ряда.

5. По результатам расчетов на математической модели становится очевидно, что фактором, сильнее всего влияющим на величину нагрева кессона, является тепловой поток на рабочую поверхность. Условия охлаждения — температура и расход охлаждающей воды, в тех пределах, которые устанавливаются на заводе, позволяют эффективно отводить тепло даже при невысоком расходе воды и повышенной температуре. Следовательно, именно режимы плавки и условия, создаваемые внутри печи, играют определяющую роль в разрушении водоохлаждаемых элементов.

6. Проведен химический анализ рабочей поверхности кессона, отложений, образовавшихся на нем, а также гарнисажа. В отложениях присутствует значительное количество меди, серы и кислорода, что принципиально свидетельствует о присутствии в отложениях таких соединений как сульфаты, сульфиды, оксиды, главным образом меди и железа.

7. Проведен термодинамический анализ возможности коррозии меди в атмосфере кислорода и серы. По результатам анализа сделан вывод о том, что при взаимодействии газов, соответствующих газам печи Ванюкова, на поверхности меди, при расчетных температурах рабочей поверхности кессона, должны образовываться сульфиды или сульфиты меди.

8. Опыты по взаимодействию меди с различными серосодержащими газами доказали возможность образования соединений на поверхности меди при условиях плавки в печи Ванюкова, причем скорость этих взаимодействий существенно зависит от температуры и они достаточно велики, чтобы быть химическое взаимодействие было основной причиной износа рабочей поверхности кессона.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вернигора, Антон Сергеевич, 2009 год

1. Ванюков А. В., Уткин Н. И. Комплексная переработка медного и никелевого сырья. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988 .

2. Heinrich, Р. и Hill, Н. Modern equipment for the blast furnace // Metallurgist, 2007, т. 41, стр. 421-423.: Springer New York,

3. Zhang, Shou-rong. Practice for Extending Blast Furnace Campaign Life at Wuhan Iron and Steel Corporation // Journal of Iron and Steel Research, International, 2006, т. 13, стр. 1-7.

4. Kojo I., Jokilaakso А.и Hanniala P. Flash smelting and converting furnaces: A 50 year retrospect // JOM Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, 2007, т. 52, стр. 57-61. 2, Springer Boston

5. Holappa, L. Glimmers of research in metallurgy // Scandinavian Journal of Metallurgy, 2005, T. 34, стр. 66 78.

6. King, M. The evolution of technology for extractive metallurgy over the last 50 years—Is the best yet to come? // JOM Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, 2007, т. 59, стр. 21-27.

7. Hughes S. Applying ausmelt technology to recover Cu, Ni, and Co from slags // JOM Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, 2007, т. 52, стр. 30-33.

8. Гречко А. В., Ермаков А. Б., Гнатовский Е. С. Исследование тепловых полей барботажного агрегата типа фьюминг-печи // Цветные металлы, 1979, т. 6, стр. 29-33.

9. Гречко А. В. Теплообмен между расплавом и гарнисажем в жидкой ванне пирометаллургических агрегатов. // Металлы, 1986, т. 5, стр. 9-19.

10. Гречко А. В., Ермаков А. Б., Гревизирская М. Н. Исследование тепловой работы барботажных плавильных агрегатов в нестационарных условиях // Цветные металлы, 1988, т.8 стр. 34-37.

11. Гречко А. В., Кириллин И. И., Грицай, В. П. Некоторые особенности тепловой работы кессонированных печей //Цветные металлы, 1993, т.2, стр. 13-15.

12. Гречко, А. В. Оценка тепловых возможностей ванны расплава барботажных печей в период плавки материалов //Цветные металлы, 1993, т.З, стр. 14-17.

13. Гречко, А. В. // Цветные металлы 1996, т.4, стр. 72-74.

14. Плетнев А. А. Математическое моделирование разрушения футеровки охлаждаемой стенки металлургической печи // Цветные металлы, 2004, №8, стр. 114-117.

15. Крупенников С. А. Решение двумерной задачи Стефана методом выпрямления фронта. // Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1992, т.9

16. Крупенников С. А., Давыдов А. А. Решение задачи теплопроводности с движущейся границей применительно к плавильным печам с гарнисажной футеровкой // Цветные металлы 1993,т.9, стр. 21-23.

17. Проблемы комплексной переработки полиметаллического сырья плавкой в жидкой ванне. 1990.

18. Roy S. К., Sircar S. С. A critical appraisal of the logarithmic rate law in thin-film formation during oxidation of copper and its alloys // Oxidation of Metals, 1981, т. 15., стр. 9-20.

19. Khanna A. S., Jha В. В., Baldevraj. Acoustic emission technique: An alternative method to study the brittle oxide formed on copper // Oxidation of Metals, 1987, т. 27, стр. 95102.

20. Hembree G. G., Cowley J. M., Otooni M. A .The oxidation of copper studied by electron scattering techniques. // Oxidation of Metals, 1979, т. 13, стр. 331-351.

21. Raynaud G. M., Clark W.A.T., Rapp Robert A. In Situ observation of copper oxidation at high temperatures // Metallurgical and Materials Transactions A, 1984,т. 15., стр. 573-586.

22. Krishnamoorthy P. K., Sircar S. C. Formation of very thin oxide films on copper: Kinetics and mechanism // Oxidation of Metals, 1970, т. 2, стр. 349-360.

23. Bridges D. W., Fassel Jr. W. M. Parabolic Oxidation of Metals to Metal Deficit Oxides // Oxidation of Metals, 1969, т. 1, стр. 279-292.

24. Garnaud G. The formation of a double oxide layer on pure copper // Oxidation of Metals, 1977, т. 11, стр. 127-132.

25. Sanderson M. D., Scully J. C. The high-temperature oxidation of some oxidation-resistant copper-based alloys // Oxidation of Metals, 1971, т. 3, стр. 59-90.

26. Zhu Y., Mimura K., Isshiki M. Influence of Small Amounts of Impurities on Copper Oxidation at 600-1050°C. // Oxidation of Metals, 2003, т. 59, стр. 575-590.

27. Никольский Б. П. Справочник химика. М.: Химия, 1965. т. 3.

28. Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты материалов. М.: ООО "ТИД Альянс",2006.

29. Plascencia G., Jaramillo D., Utigard T.A. Extending the life of water-cooled copper cooling fingers for furnace refractories // JOM Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, 2005, т. 57, стр. 44-48.

30. Lambertin M., Colson J.-C. The mechanism and kinetics of central cavity formation during the growth of thick layers of copper sulfides on the metal // Oxidation of Metals 1973, т. 7, стр. 163-171.

31. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергоиздат,4-е изд., 1981.

32. Карташов Э. М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. М.: Высшая школа, 1986.

33. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. М.: Мир, 1983.

34. Пасконов В. М., Полежаев В. И., Чудов, JI. А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, 1984.

35. Сибиел, Т., Брэдшоу, П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы. М.: Мир, 1987.

36. Bascur О. A., Kennedy, J. P.Improving metallurgical performance in pyrometallurgical processes // JOM, 2004, №12, стр. 20-21.

37. Stephens R. Process Management in Pyrometallurgical Operations // JOM, 2004, №12, стр. 20-21.

38. Proc. of Copper 95 Cobre 95 International Conference. Bystrov, Valentin Petrovich, Smirnov, L. А. и Komkov, Aleksey Aleksandrovich. Santiago, Chile : б.н., 1995. т. 4.

39. Ванюков А. В., Быстров В. П., Васкевич А. Д. Плавка в жидко й ванне. М.: Металлургия, 1988. стр. 208.

40. Комков А. А., Рогачев М. Б., Быстров В. П. Прогнозирующая модель плавки сульфидного сырья в печи Ванюкова // Цветные металлы, 1994, №1, стр. 14-19.

41. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: "Едиториал УРСС", 2002. стр. 785.

42. Dean J. A. Lange's Handbook of Chemistry, б.м. : McGraw-Hill, Inc., 1999.

43. Дриц M. E. и др., и. Свойства элементов. М.: Металлургия, 1997.

44. Смирягин А. П., Смирягина Н. А., Белова, А. В. Промышленные цветные металлы. М.: Металлургия, 1974.

45. Григорьев В. А.,Зорин М. В. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. 2-е издание. М.: Энергоатомиздат, 1988.

46. Михеев М. А. Теплопередача и тепловое моделирование. М.: Издательство АН СССР, 1959.

47. Самарский А. А., Андреев В. Б. Разностные методы для эллиптических уравнений. М.: Наука, 1976.

48. Мэтыоз Д. Г., Финк К. Д. Численные методы. Использование MATLAB. Пер. с англ. 3-е издание. М.: Издательский дом "Вильяме", 2001.

49. Данилина Н. И., др. Численные методы. М.: Высшая школа, 1976.

50. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959.

51. Моделирование полупроводниковых приборов и технологических процессов. Последние достижения: под ред. Д. Миллера. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989.

52. Скворцов А. В. Обзор алгоритмов построения триангуляции Делоне // Вычислительные методы и программирование, т. 3. М.: 2002, стр. 14-39.

53. Данилюк, И. И. О задаче Стефана // Успехи математических наук, 1985, 5 (245)